Uzun yıllardır ulaşılması zor kabul edilen mavi LED'in (ışık yayan diyot) icadı, dünyayı büyük ölçüde değiştiren enerji tasarruflu ve uzun ömürlü aydınlatma armatürleri ve ekranlarını doğurdu. En son sınır araştırmalarından biri, mavi LED'lerden daha kısa dalga boylarına sahip UV LED'ler üretebilmesidir.
Ultraviyole ışınları arasında özellikle kısa dalga boyuna sahip derin ultraviyole ışınları yüksek sterilizasyon özelliklerine sahiptir ve fabrikalarda ve su arıtma tesislerinde kullanılması beklenmektedir (Şekil 1). Şu anda kullanımda olan antiseptik lambaların çoğu cıva kullanıyor ancak 2017 yılında Merkür üzerine Minamata Antlaşması'nın yürürlüğe girmesiyle birlikte uluslararası toplum cıva kullanımını azaltmak için çalışmalara başladı. Bu kapsamda derin ultraviyole UVC LED'ler bekleniyor. Derin ultraviyole LED kullanan ürünler piyasaya sürülmeye başlandı ancak mevcut ışık verimliliği ve çıkış gücü yetersiz.
UV LED'leri araştırmaya 1996 yılında başlayan Hirayama, kendinden emin bir şekilde şunları söyledi: “Geliştirme rekabeti şiddetli olsa da, geliştirdiğimiz derin UV UVC LED, %20,3 ile dünyanın en yüksek ışık verimliliğine ulaştı. Bununla birlikte, yaygın kullanım elde etmek istiyorsak, ışık verimliliği olacaktır. Antiseptik lamba olarak kullanılan düşük basınçlı cıvalı lambayı aşmak için daha da geliştirilmesi gerekiyor ve mevcut hedef %30'u aşmak.&alıntı;
Bir LED'in temel yapısı, daha fazla elektronlu n-tipi bir yarı iletken ile elektronları yetersiz (delikli) bir p-tipi yarı iletkenin birleştirilmesiyle oluşturulan bir pn eklemidir. Bir voltaj uygulandıktan sonra, elektronlar ve delikler ışık yaymak için birleşir, ancak ışığın rengi (dalga boyu) ve ışık yaymak için gereken voltaj, yarı iletken tipine bağlı olarak farklıdır. İstenilen dalga boyunda ışık üretebilen yarı iletkenler geliştirmek için çok sayıda araştırmacı çeşitli malzemeleri araştırdı. Hirayama şunları söyledi:&"Yalnızca ultraviyole bölgesinde ışık yayabilirse, pratik değildir. Çünkü aynı zamanda önceki ışık kaynaklarından daha verimli bir şekilde ışık yayması gerekiyor ve daha düşük bir maliyetle seri üretilebilir.&alıntı; Alüminyum galyum nitrür (AlGaN) nispeten umut verici bir malzeme olarak bekleniyor, ancak birçok sorun var.
Düzgün kristaller üretebilen yeni bir teknoloji olan LED'ler, temel bir madde (alt tabaka) üzerinde düzenli atomlarla kristaller büyüterek pn bağlantıları oluşturur. Yarı iletken alt tabaka ucuz safir (Al2O3) kullanır, ancak kristali oluşturan atomlar arasındaki mesafe farkı (kafes sabiti) nedeniyle, AlGaN kristali büyüdüğünde deforme olur ve kafes kusurları adı verilen kusurlara neden olur. Kusur çizgisi boyunca genişleyen çatlaklara kristal kusurları denir. Kusur yoğunluğu (diş dislokasyon yoğunluğu) artarsa, ışık verimi düşer.
Mavi LED'lerin alt tabaka üzerinde daha az kusurla bir galyum nitrür (GaN) kristal filmi oluşturması gerekir. Bu filmi gerçekleştirecek teknoloji, Meijo Üniversitesi'nde Nobel ödüllü profesör Isamu Akasaki tarafından geliştirildi. Derin ultraviyole LED'ler için, alt tabaka üzerinde bir alüminyum nitrür (AlN) kristal filmi oluşturulur ve üzerinde AlGaN kristali büyütülür. Kusurları azaltmak için alt tabaka üzerinde yüksek kaliteli bir AlN filmi oluşturdu. Şunları hatırladı:&"Bu yöntem, rakip''in Amerikan araştırma ekibini geride bırakarak ışık verimliliğini artırmada bir atılım yaptı.&alıntı;
AlN kristalleri, metal organik kimyasal buhar biriktirme (MOCVD) ile üretilir. Gaz halindeki malzeme, kristal olarak büyümesini sağlamak için yaklaşık 1400 derecelik yüksek bir sıcaklıkta safir alt tabakaya verilir. Hirayama tarafından geliştirilen yöntem, önce alt tabaka üzerinde çekirdek olarak AlN nitrür yetiştiriyor ve çekirdek arasındaki boşluğu doldurmak için yanal olarak büyümesini sağlamak için amonyak gazını bir darbe halinde üfliyor. Daha sonra gaz, bunları dikey olarak istiflemek için sürekli olarak verilir. Bu kristal büyüme sürecini tekrarlayarak, çatlaksız yüksek kaliteli bir AlN tabakası oluşturulabilir (Şekil 2). Dedi ki:&"Normal kristaller yapmak için gaz konsantrasyonunu, akış hızını ve reaksiyon sıcaklığını vb. hassas bir şekilde kontrol etmeniz gerekir. Gaz akışının yüksek sıcaklıklarda türbülanslı olması kolaydır ve zengin deneyim gerektirir. Bu nedenle, ekipman yarı kendi kendine yapılır ve gerektiğinde değiştirilir.&alıntı; .
Yapı üzerinde çalışarak ışık verimliliğini artırın
Işık verimliliği 3 faktöre bağlıdır. Birincisi&"iç kuantum verimi &", ikincisi&"elektron enjeksiyon verimi &" ve üçüncüsü&"ışık çıkarma verimi &" ;. Hirayama bu üç verimliliği geliştirmek için çok çalışıyor.
Dahili kuantum verimliliği, akım tarafından üretilen elektron ve delik çiftlerinin ışık yayma oranını gösteren bir değerdir ve ışık yayan katmanın ışığı düzgün bir şekilde yayma derecesini gösterir. Kristalin düzgün bir şekilde büyümesini sağlayarak ve kusurları azaltarak, dahili kuantum verimliliği başarılı bir şekilde geliştirildi.
Elektron enjeksiyon verimliliği, enjekte edilen akımda ışık yayan katmana giren elektronların oranını ifade eder. Geleneksel derin ultraviyole UV LED, enjekte edilen elektronların ışık yayan katmana girmemesi, ancak p-katman tarafından sızması sorununa sahiptir.
Girişte şöyle deniyordu:&"Nedeni, p-tipi yarı iletkendeki delik sayısının n-tipi yarı iletkendeki elektron sayısı ile dengelenmemiş olmasıdır. Delik sayısını artırmak zor olduğu için, doğrudan geçen bağlanmamış elektronları yansıtmak için bir elektron bloke edici katman (çoklu kuantum bariyeri) oluşur. , Etkili bir şekilde birleştirilmiş" (Figür 3). Sonuç olarak, elektron enjeksiyon verimliliği büyük ölçüde iyileştirilir.
Rüya lazer ışık kaynağına uygulanacak
AlGaN tarafından geliştirilen derin ultraviyole UV LED, uygulama alanında da avantajlara sahiptir. Beklenti ile ifade etti:&"Kristalin bileşimini değiştirerek, derin ultraviyole dalga boyu ayarlanabilir. Bu da bir özellik. Şu anda, 222-351 nm bandında derin ultraviyole UVC LED'ler uygulandı. Uygulamaya göre istediğiniz dalga boyunu özgürce üretebilirsiniz. Atopik dermatit ve sedef hastalığını vb. tedavi etmek için kullanılan yaklaşık 310 nanometrelik ışık gibi derin ultraviyole ışık."
Bu, geliştirilmekte olan bir teknolojidir. Çıkış gücünün mevcut onlarca miliwatt'tan birkaç watt'a yükseltilmesi gerekiyor. Gelecekte sterilizasyon, su arıtma, hava arıtma, tıbbi tedavi, biyokimya endüstrisi, reçine sertleştirme ve işleme ve baskıda kullanılması bekleniyor. Ve resim ve diğer alanlar.
Geleceğe bakarak şunları söyledi:&"Gelecekte, daha fazla çıkış gücü elde edebilen derin bir ultraviyole lazer diyotu (LD) geliştirmeyi planlıyoruz. Eğer başarılabilirse, Blu-ray Disklerin kapasitesini aşan büyük kapasiteli depolama ortamlarını ve zararlı maddeleri de ayrıştırabilmelidir.&alıntı;
Derin ultraviyole UVC LED'in geliştirme alanı hala çok büyük.
